第三章 材料组成与结构

因此，金属键的结合是靠公有化的 自由电子与离子间的静电引力而产生的。
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3.2.1.2金属的晶体结构
最典型、最常见的金属晶体结构有三种：P106
体心立方 面心立方 密排六方
晶格参数
性质 原子数
a=b=c α=β=γ=90o
a=b=c α=β=γ=90o
c/a=1.633 α=β=90o
γ=60o
解：
nAcu
nAcu
Vc N A (16R3 2)N A
4 63.5
16 2 (1.28108 )3 6.0231023
8.89g / cm3
所计算的理论密度小于实验值，说明实验用铜中含有 少量更高原子量的其他元素
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3.2.2合金材料
❖ 3.2.2.1合金 由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属
❖ 相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成 部分。
大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体， 因此只具有一个液相。
在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中 可能会出现不同的相结构。
❖ 根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可 以分为两类：固溶体和金属间化合物。
3.0282 2.6649 3.2312
3.5832 5.6167 4.069
5.2105
4.6788 4.9468 5.1477
最近的原子间距
2.863 2.225 2.979 2.498 2.497 2.556 2.884 2.481 3.500 3.039 3.197 2.725 2.492 2.858 2.775 4.627 2.690 4.88 2.889 3.716 2.860 3.595 2.890 2.741 2.77 2.622 2.665 3.172
正交 体心立方 密排六方 密排六方
点阵常数
a
c
4.0496 2.2856 2.9788 2.8846 2.506 3.6147 4.0788 2.8664 4.9502 3.5092 3.2094 3.1468 3.5236 3.3007 3.9239 5.3444 3.8044 5.6985 4.0857 4.2906 3.3026 5.0843 2.9506 3.1650
元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。
组元：组成合金最基本的，独立的物质称为组元。
合金分类：
按组成合金的元素数量
二元合金 三元合金 多元合金
按组分
铁基合金 又称铁合金或合金钢，碳钢 非铁基合金 有色金属
按组成方式
固溶体 金属间化合物 机械混合物
单相 单相 多相
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3.2.2.2合金的相结构
CaF2型，如Mg2Si
闪锌矿型，如立方ZnS
正常价化合物硬度高，但较脆。
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（2）电子化合物
贵金属（Au, Ag, Cu）/金属（Zn, Al, Sn）组成合金时，随合 金组元成分的改变，合金相的结构与电子浓度具有一定对应 关系。 电子化合物（电子相）的特点：可以用一定分子式来表示， 但组元间不符合化学价的规律，而是按照一定的电子浓度比
较高强度、硬度 具有良好塑性和 强度低，塑性和
和熔点高
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韧性
韧性差
2
4
6
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元素
铝 铍 镉 铬 钴 铜 金 铁 铅 锂 镁 钼 镍 铌 铂 钾 铑 铷 银 钠 钽 钍 钛 钨 铀 钒 锌 锆
晶体 结构
面心立方 密排六方 密排六方 体心立方 密排六方 面心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 密排立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 体心立方 面心立方 密排六方 体心立方
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3.2金属材料的组成和结构
3.2.1 金属材料 3.2.1.2 金属材料的组成 （1）原子结构
金属元素的原子结构区别于其他元素的一些共性：
外层电子较少，且与原子核的结合的结合力较弱; 很容易脱离核，而成为自由电子，同时形成电子层
结构稳定的正离子状态。 最典型的金属：碱金属，碱土金属等； 过渡金属：ns层电子能量低于（n-1)d层，从而使d 层电子数处于1～10之间未填满的状态。
使得这类原子在与其他原子相互作用时表现出某些独特性质。
（2）金属键：金属内部的自由电子与失去价电子的 正离子之间的静电引力而产生的。
金属键的模型如图所示：
金属原子全部或部分地使其外层的 价电子脱离原来的原子，失去价电子的 原子形成正离子。而正离子和部分中性 原子按一定的几何规则排列起来，并在 固定的点上做热振动。脱离原子的价电 子为整个正离子所共有。这种公有化的 电子称之为自由电子。
材料的结构：材料的组成单元之间相互吸引和相互排斥作 用达到平衡时在空间的几何排列。
包括：构成材料的原子的电子结构 （ 决定化学键的类型） 分子的化学结构及聚集态结构
（决定材料的基本类型及材料组成相的结构） 材料的显微组织结构
（组成材料的各相的形态、大小、数量和分布等）
从宏观到微观可分为： 宏观组织结构、显微组织结构和微观结构
金属间化合物： 有固溶体和化合物两方面的特性，又称为中间相。形
成的晶格与组成元素的晶格不同。(正常价化合物、电子化合物和
间隙化合物）
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（1）正常价化合物
金属元素和IVA 、VA 、VIA非金属元素按化合价的比例构成 电负性越大的元素和正电性越强的金属所组成的化合物越稳定
。
NaCl型，如MgSe
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第三章 材料组成与结构
主要内容
3.1 材料组成和结构的基本内容 3.2 金属材料的组成与结构 3.3 无机非金属材料的组成与结构 3.4 高分子材料的组成与结构 3.5 复合材料的组成与结构
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3.1 材料的组成和结构的基本内容
材料的组成：构成材料的基本单元的成分和数目
3.2.1.3金属材料的理论密度
根据金属晶体的晶胞，可以计算金属材料的理论密度： 理论密度 = 金属晶胞中所有原子的总质量与晶胞 体积之比
n Am
M N A nAm
V
Vc
Vc N A
n为一个晶胞中原子个数，Am为金属原子量，Vc为一个 晶胞的体积，NA为阿伏伽德罗常数
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❖ 例：铜的原子半径是0.128nm，原子量是63.5g/mol ，计算铜fcc晶体的理论密度，并与实验测得的密 度8.94g/cm3进行比较。